采用氮化鎵的 LED 照明已經(jīng)大幅減少了全球的用電量，預(yù)計十年后節(jié)省的電量可能高達(dá) 46%。但在電力消耗方面，另一種電子技術(shù)可能在減少全球碳排放的關(guān)鍵驅(qū)動力中發(fā)揮更大的價值，那就是電力轉(zhuǎn)換。

大多數(shù)人完全不知道電力轉(zhuǎn)換技術(shù)如何影響他們，但這個過程在全球范圍內(nèi)每天發(fā)生數(shù)萬億次，并使從移動電話到電動汽車到醫(yī)療和工業(yè)系統(tǒng)的任何東西都能正常運行，但由于實現(xiàn)這一過程的電子設(shè)備和系統(tǒng)效率低下，每天都會浪費大量地球能源。

帶隙系數(shù)

GaN 和 SiC 都屬于一類稱為寬帶隙半導(dǎo)體的器件。半導(dǎo)體的帶隙定義為電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶所需的能量（以電子伏特為單位）。價帶只是電子占據(jù)的任何特定材料的原子的最外層電子軌道。

價帶的最高占據(jù)能態(tài)與導(dǎo)帶的最低未占據(jù)能態(tài)之間的能量差稱為帶隙，表示材料的電導(dǎo)率。大帶隙意味著需要大量能量將價電子激發(fā)到導(dǎo)帶。相反，當(dāng)價帶和導(dǎo)帶像金屬中那樣重疊時，電子可以很容易地在兩個帶之間跳躍，這意味著該材料被歸類為高導(dǎo)電性。

導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體之間的差異可以通過它們的帶隙有多大來顯示。絕緣體的特點是帶隙大，因此需要大量的能量將電子移出價帶以形成電流。導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價帶之間有重疊，因此此類導(dǎo)體中的價電子是自由的。

然而，半導(dǎo)體的帶隙很小，允許材料的少量價電子移動到導(dǎo)帶中。這種特性使它們具有導(dǎo)體和絕緣體之間的導(dǎo)電性，這也是它們非常適合電路的部分原因，因為它們不會像導(dǎo)體那樣引起短路。

GaN 和 SiC 器件在提高功率轉(zhuǎn)換效率并從而節(jié)省大量電力方面已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的潛力。

目前看來兩者都將在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域找到有價值的位置。但有哪些差異呢？

失敗開放因素

基于SiC的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 具有故障開放器件的優(yōu)勢。

這意味著如果電路出現(xiàn)故障，設(shè)備就會停止傳導(dǎo)電流。這消除了故障可能導(dǎo)致短路以及可能的火災(zāi)或爆炸的可能性。然而，這種有益的、有時也是必要的特征確實意味著它的電子移動速度不那么快，不幸的是，這會增加電阻，成為高效功率轉(zhuǎn)換的主要敵人。

GaN 基器件確實具有高電子遷移率。GaN 晶體管有所不同，因為流經(jīng)器件的大部分電流是由電子速度而不是電荷量決定的。這意味著電荷必須進(jìn)入設(shè)備才能打開或關(guān)閉它。這減少了每個開關(guān)周期所需的能量，并提供更高效的功率轉(zhuǎn)換操作。

但必須記住，有時 GaN 和 SiC 的不同操作特性和后續(xù)優(yōu)勢在某些應(yīng)用中可能是有益的，而不是將某項特定技術(shù)視為贏家。

讓我們來看看汽車制造商以及他們在涉及電動汽車 (EV) 設(shè)計的寬帶隙決策時的選擇，特別是車輛逆變器的工作（從根本上講是功率轉(zhuǎn)換）。

電動汽車需要逆變器將鋰電池的直流電轉(zhuǎn)換為車輛電動機可以使用的交流電。埃隆·馬斯克(Elon Musk)為他的特斯拉汽車選擇了SiC器件供應(yīng)商，現(xiàn)在中國汽車制造商比亞迪、豐田、現(xiàn)代和梅賽德斯也紛紛效仿。

然而，對于汽車制造商來說，SiC 器件并沒有完全按照自己的方式行事。

GaN 的更高開關(guān)速度對于電動汽車逆變器來說是一個強大的優(yōu)勢，因為它們使用硬開關(guān)。這樣可以通過快速從開到關(guān)切換來縮短器件保持高電壓和通過高電流的時間，從而提高性能。

除了逆變器外，電動汽車通常還配有車載充電器，可通過將交流電轉(zhuǎn)換為直流電來為車輛充電。在這方面，GaN 再次非常有吸引力。

在汽車應(yīng)用中使用 SiC 會帶來一些挑戰(zhàn)。SiC 襯底價格不菲，占該器件生產(chǎn)材料成本的近 50%。SiC本質(zhì)上也是一種低成品率的制造工藝，而且晶圓是透明的，需要昂貴的計量設(shè)備來監(jiān)控該工藝。

制造SiC器件比制造Si基半導(dǎo)體更困難，而且SiC的硬度使得蝕刻和柵極氧化工藝變得困難。

在汽車制造方面，汽車制造商需要大量供應(yīng)產(chǎn)品來維持生產(chǎn)線的運轉(zhuǎn)，而碳化硅的供應(yīng)有限，這是其在汽車行業(yè)采用的另一個障礙。

與 SiC 相比，GaN 生長在更便宜的 Si 襯底上。然而，與 SiC 相比，它們確實需要更大的芯片尺寸來實現(xiàn)高電流應(yīng)用。

組件可靠性

使用硅基板有時會導(dǎo)致晶格失配和位錯等問題，進(jìn)而導(dǎo)致柵極電流泄漏和可靠性降低，汽車制造商對組件的可靠性感到偏執(zhí)，因為操作故障會導(dǎo)致汽車保修退貨，并隨后從汽車制造商的利潤中分一杯羹。

誠然，GaN 的這些問題可以通過更堅固的外延層輕松解決，但這反過來又會增加組件的總體成本，而且汽車制造商在供應(yīng)組件的價格方面再次具有高度的成本意識。

創(chuàng)建適合汽車用途的半導(dǎo)體器件始終必須考慮溫度因素，并且由于 GaN 生長在 Si 襯底上，因此其導(dǎo)熱率取決于 Si 襯底的性能。

GaN對于高功率汽車應(yīng)用（10kW以上）確實有局限性，并且是600V以下設(shè)備的首選，但它確實有潛力進(jìn)入多電平功率拓?fù)涞哪孀兤魇袌?。由于汽車制造商需要不斷增加的電量來實現(xiàn)信息娛樂、快速通信、攝像頭和雷達(dá)等功能，因此人們對 48V 系統(tǒng)的興趣與日俱增。在這方面，GaN是合適的，因為它具有成本競爭力。

電力電子的未來前景

如前所述，GaN 可以節(jié)省系統(tǒng)級成本。器件和系統(tǒng)成本取決于襯底成本、晶圓制造、封裝和制造過程中的總產(chǎn)量。

SiC 和 GaN 可滿足不同的電壓、功率和應(yīng)用需求。SiC 可處理高達(dá) 1,200V 的電壓水平，并具有高載流能力。這使得它們適合汽車逆變器和太陽能發(fā)電場的應(yīng)用。

另外，由于其高頻開關(guān)能力及其成本優(yōu)勢，GaN 已成為許多設(shè)計人員在 <10 kW 應(yīng)用中的首選器件。

因此，這些只是兩種帶隙技術(shù)之間的一些操作差異，現(xiàn)階段不可能回答哪個將成為總體贏家的主要問題，主要是因為兩者在性能方面都在不斷發(fā)展。

展望未來，電力電子行業(yè)正在關(guān)注氧化鎵等新興材料。雖然氧化鎵具有廣闊的潛力，但鑒于該行業(yè)的保守性質(zhì)，其采用將是漸進(jìn)的。這些新型材料在高功率場景中的廣泛接受和應(yīng)用將取決于它們建立可靠記錄的能力。

就 GaN 而言，它能夠提供非常快速的開關(guān)，同時在高溫下工作。它還具有尺寸優(yōu)勢，被認(rèn)為具有低碳足跡，并且在制造成本方面非常合理。

從 SiC 的角度來看，這些設(shè)備的制造商在電動汽車市場上的情況看起來不錯。

咨詢公司麥肯錫表示，800V純電動汽車（BEV）最有可能使用基于SiC的逆變器，因為其效率高，預(yù)計到本十年末，BEV將占電動汽車的75%市場。

拋開這兩種技術(shù)之間的技術(shù)差異，分析師和專家對它們在本十年余下時間里的銷售情況有何看法？

從行業(yè)權(quán)威人士的平均觀點來看，SiC 似乎表現(xiàn)良好，銷售額將實現(xiàn) 29% 的復(fù)合年增長率 (CAGR)，到 2030 年全球銷售額將達(dá)到 120 億歐元。

GaN 器件銷售的財務(wù)狀況看起來同樣樂觀。盡管市場分析師的復(fù)合年增長率數(shù)據(jù)往往存在較大差異，但總體平均數(shù)字為 26%，到2030 年銷售額應(yīng)達(dá)到約 100 億歐元。

因此，就技術(shù)能力、應(yīng)用多功能性以及為半導(dǎo)體公司賺大錢的能力而言，GaN 和 Sic 沒有太多區(qū)別，因此，如果要在帶隙競賽中產(chǎn)生最終的獲勝者，它將是就看誰能展示出最具顛覆性的技術(shù)。

來源：半導(dǎo)體芯聞

審核編輯：湯梓紅